(57)【要約】【課題】  従来より、イオンビーム加速器は、イオン源から出射される多価のイオンビームをイオン源後段に設けた９０°偏向の分析電磁石とスリットによって所望のイオンビームを得て、加速器にて加速を行っている。しかしながらこのシステムでは、イオン分離システムが９０°偏向の分析電磁石を用いているため、装置設置面積が大きくなり、システムの大型化、コスト高要因となるという課題を解決するため、イオン分離システムをビーム軌道と並行に直線状に設ける。【解決手段】  イオン源とイオンビーム収束手段とスリットが、イオンビームの中心軌道上に直線状に設置したイオンビーム分離システム。【選択図】        図１
2005265429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の種類のイオンビームを含むイオンビームを出射するイオン源と、当該出射されたイオンビームを収束するための収束場を発生するイオンビーム収束手段と、前記イオンビーム収束手段の下流に設置されたイオンビーム弁別用のスリットとを、前記イオンビームの中心軌道上に直線状に配置し、前記所定の種類のイオンビームと、前記イオンビーム収束手段から前記スリットの位置までの距離に応じて、前記収束場の強度を可変とすることを特徴とするイオンビーム分離システム。
【請求項２】
前記イオンビーム収束手段が、１個または複数個のいずれかの個数のソレノイドコイルで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム分離システム。
【請求項３】
前記イオンビーム収束手段が、２台または３台のいずれかの個数の四極電磁石で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム分離システム。
【請求項４】
前記スリットが、イオンビームの入口側で大口径、イオンビーム出口側で小口径の円錐形状であることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム分離システム。
【請求項５】
前記スリットのイオンビーム出口側に、リムーバルスリットが設けられていることを特徴とする請求項４に記載のイオンビーム分離システム。
【請求項６】
前記スリットのイオンビーム出口側に、異なる複数の口径を有するとともに、イオンビーム軌道に対して移動可能な可動マルチスリットが設けれていることを特徴とする請求項４に記載のイオンビーム分離システム。
【請求項７】
イオンビーム分離システムと、イオンビーム輸送システムと、イオンビームを加速する加速器とを備えたイオンビーム加速システムであって、前記イオンビーム分離システムは、前記請求項１に記載のイオンビーム分離システムを備えていることを特徴とするイオンビーム加速システム。
【請求項８】
前記加速器が、円形加速器または線形加速器のいずれかとすることを特徴とする請求項７に記載のイオンビーム加速システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、陽子などのイオンビームを加速するイオンビーム加速器に関するもので、特に必要なイオンを加速するためのイオンビーム分離システムおよびそのイオンビーム分離システムを備えたイオンビーム加速器システムに係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高エネルギに加速したイオンビームを癌などの悪性腫瘍の治療や、その他の医療目的に利用が盛んである。イオン源から出射されるイオンビームは、例えば炭素イオンを発生させる際、一価から四価までの炭素イオンビームが出射される。これを加速器に入射して高エネルギに加速しようとすると、加速器側からすれば電荷数の多いほど加速しやすいが、一般に電荷数が多いほどビーム強度が小さくなる。そこで加速器に入射する前に、イオン源からの出射イオンビームを所望のイオンのみに分離することが一般に行われている。
例えば後述の非特許文献１の場合、最初の加速器であるＲＦＱで四価の炭素イオンを加速することが示されている。この場合、四価以外の炭素イオンがＲＦＱに入射されると、適切な収束力が得られず、ＲＦＱの加速電極に衝突し、電極表面を劣化させ放電しやすい状態となる。このため、四価以外の炭素イオンが入射されないように、イオン源とＲＦＱの間に分析電磁石を設け、それぞれの電荷数をもつ炭素ビームを所定の曲率半径で取り出し、電磁石の下流に所望の電荷数の炭素イオンビームだけを通すスリットを設置し、他のビームがＲＦＱに入射されないような構成が示されている。
【０００３】
【非特許文献１】ＤＥＳＩＧＮ  ＯＦ  Ａ  ＣＡＲＢＯＮ  ＩＮＪＥＣＴＯＲ  ＦＯＲ  Ａ  ＭＥＤＩＣＡＬ  ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ  ＣＯＭＰＬＥＸ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｐａｒｔｉｃｉｅ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９８．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記非特許文献１に示されたものは、所望の電荷数、この場合四価の炭素イオンビームを加速器に入射させるため、イオン源とスリットとの間にイオンビームを９０°偏向させる分析電磁石を設けているので、装置が大型化し、広い設置面積を必要とし、コスト上昇の原因ともなるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、イオン源下流にイオンビームの中心軌道上に直線状にイオンビーム分離システムを設け、装置を小型化したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この第１の発明に係るイオンビーム分離システムは、イオン源とイオンビーム収束手段とスリットが、イオンビームの中心軌道上に直線状に設置されているものである。
【０００７】
また、この第２の発明に係るイオンビーム加速システムは、前記第１の発明に係るイオンビーム分離システムと、イオンビーム輸送システムとイオンビーム加速器とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この第１の発明のイオンビーム分離システムは、イオンビームの中心軌道上に直線状に、イオンビーム収束手段とスリットが設置されているので、システムが小型化され設置面積の縮小化、コスト低減化がはかれる。
また、第２の発明のイオンビーム加速システムは、前記第１の発明のイオンビーム分離システムを備えているので、イオンビーム加速システムが小型化され、設置面積の縮小化、コスト低減化がはかれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１のイオンビーム加速システム１００を示す構成図である。このイオンビーム加速システム１００は、イオンビーム分離システム２００と、イオンビーム輸送システム２１０と、加速器５とで構成されている。前記イオンビーム分離システム２００はイオンビームの中心軌道上に直線状に設置されたビーム収束手段２０とスリット３とで構成されており、前記ビーム収束手段２０は、図１に示す例では２台のソレノイドコイル２によって構成されている。また、前記イオンビーム輸送システム２１０は、この図１の例では２台の四極電磁石４で構成されている。ここで前記イオン分離システム２００と四極電磁石４とでイオンビーム輸送システムと称呼される場合もあるが、この実施の形態１では、前記のようにイオン分離システム２００とイオンビーム輸送システム２１０に分けて定義する。
なお、前記加速器５は、シンクロトロン、ＦＦＡＧ加速器等の円形加速器や線形加速器のいずれであってもよい。このような実施の形態１のイオンビーム加速システム１００に係わるイオンビーム分離システム２００について、以下詳細に述べる。
【００１０】
イオン源１は、水素ガスをプラズマ化して高電圧で水素イオンを引き出す。水素イオンはこの加速システムで必要な所定の種類のイオンである陽子（Ｈ＋）の他に、陽子２個からなるＨ２＋と陽子3個からなるＨ３＋も含まれる。これらの含有率はイオン源によって異なるが、陽子が１０％程度の場合もある。
取り出された水素イオンは、ソレノイドコイル２とスリット３からなるイオンビーム分離システム２００と四極電磁石４からなるビーム輸送系２１０の真空ダクト６内を通ってＦＦＡＧ（Fixed Field Alternating Gradient）加速器或いはシンクロトロン或いは線形加速器等の加速器５に入射される。図１のビーム輸送系２１０では、四極電磁石４は２台設けているが、加速器５に必要とされるビームパラメータ（エミッタンス形状）とするために、更に多くの四極電磁石４を有する場合もある。ここで、エミッタンス形状とは、ビーム進行方向に対して直角な断面における水平又は垂直軸と進行方向の傾きを与える軸からなる平面（ｘ−ｘ’或いはｙ−ｙ’）での粒子の分布である。
加速器５で効率良く陽子を加速するためには、加速器５で必要とされるビームパラメータにビーム輸送系２１０の四極電磁石４で調整する必要があり、そのためにビーム輸送系２１０にはビームモニター（図１では省略している）が設置されており、ビームサイズやビーム電流値を測定する。しかし、先に述べたように、陽子以外にＨ２＋やＨ３＋が混在していると、所定の種類である陽子ビームのパラメータが測定できない。それぞれのイオンビームはソレノイドコイル２や四極電磁石４で受ける収束力が異なるため、エミッタンス形状も異なる。
ソレノイドコイル２や四極電磁石４の収束力は、ビームの運動量に反比例する。ここで、陽子に対するＨ２＋とＨ３＋の運動量の違いを考える。イオン源１の加速電圧をＶとし、陽子の運動量をｍ０・ｖ０とする。質量ｍはＨ２＋が陽子の２倍、Ｈ３＋が３倍である。速度ｖは陽子当たりのエネルギーの平方根に比例するが、Ｈ２＋の陽子当たりのエネルギーはＶ／２、Ｈ３＋はＶ／３である。従って、それぞれの運動量は陽子に比べて２0.5、３0.5倍であり、収束機器での収束力はその逆数である。
【００１１】
本発明は、この収束力の違いを積極的に利用したものである。イオン源１からは、通常は発散ビームが出力される。広がったイオンビームは、ソレノイドコイル２で収束力を受け、その磁場強度によっては、その下流でビームサイズを十分に小さくできる。ソレノイドコイル２は軸対象な磁場を発生させるので、イオン源１から出射された軸対象のイオンビームを軸対象に収束させることができる。ソレノイドコイル２の磁場強度を、陽子ビームがその下流でビームサイズを縮小し、それ以外の種類のイオンビームは発散或いはビームが絞られないように設定することができる。ここで言う発散とは、収束力が足りないために、イオンビームがその下流で絞られず広がってゆくことを意味する。図２はその計算例を示す。ビームは図の左より右に進む。横軸はビーム軸、縦軸はビーム半径の平方根に比例したパラメータであり、上から陽子、Ｈ２＋、Ｈ３＋である。イオン源出口Ａでは、全て同じエミッタンス形状だが、運動量の平方根に反比例してエミッタンス（面積）は異なると仮定している。同図のＢで示した位置で、陽子ビームは絞られているが、他のビームサイズはそれほど小さくならないことが分かる。この計算例でのＢの位置でのビーム半径比は、陽子：Ｈ２＋：Ｈ３＋＝１：４．６：７、ビーム強度に関係するビーム断面積はその２乗の陽子：Ｈ２＋：Ｈ３＋＝１：２１：４９であり、ここに陽子のビームサイズに合わせたイオンビーム弁別用のスリット３を設置すれば、陽子以外のビームは数％以下に低減できる。
【００１２】
図３はスリット３の一実施例を示す。冷却水入口９、冷却水出口１０の部分以外は基本的には軸対称な構造である。ビーム強度が強くなると、通常の平板の中央に穴を開けた単純なスリットでは、熱除去が難しくなる。そこで、材質は熱伝導の良い、例えば銅とし、かつイオンビームが当たる面積を増やすために、コーン状（ビーム遮蔽コーン）７とし、熱除去のために冷却水通路８を設ける構造としている。冷却水通路８は様々なものが考えられるが、ここでは単純な空洞とし、冷却水入口９から冷却水を入れて冷却水出口１０から取り出す構造とした。ビーム遮蔽コーン７の最も絞られた部分の半径が、陽子ビームの半径に大体等しくなるようにする。本例では、軸対称な円としたが、この形に限定されるものではない。
なお、スリット３は、前記イオンビーム収束手段２０からの距離を可変とするようビーム軸方向に移動できる構造であれば、更に高い効果が得られる。これはイオン源１からのビームパラメータは計算での正確な予測は難しいため、収束点がずれる可能性があるためである。なお、イオンビーム分離システム２００のイオンビーム収束手段２０にソレノイドコイルによる磁界発生装置を設ける例を示したが、これに代わり、電界発生装置であってもよい。また、前記収束手段２０の収束場の強度は、所定の種類のイオンビームと、前記収束手段２０とスリット３との距離に応じて、可変可能とするものである。
このように、この実施の形態１では、イオン源１の下流にソレノイドコイル２とスリット３からなるビーム分離システム２００をイオンビームの中心軌道上に直線状に設けたので、直線的にイオンを分離できるため、イオンビーム分離システム２００やイオンビーム加速システム１００をコンパクト化することができる。
【００１３】
実施の形態２．
前記実施の形態１では対象イオンを水素イオンとしたが、これに限定されるものではなく、全てのイオンに適用できる。水素イオンの場合は、陽子、Ｈ２＋、Ｈ３＋の三種類しか存在せず、その電荷数対質量数比は１：１／２：１／３と大きいため、収束力の差が大きく、分離が比較的容易にできる特徴がある。また、複数の分子の集合体のイオンの分離にも同様の効果が得られる。
【００１４】
実施の形態３．
実施の形態３を図４に示す。前記実施の形態１では、イオンビーム分離システム２００のビーム収束手段２０の磁界発生装置としてソレノイドコイル２を２個としたが、１個でも良いし２個以上でも同様の効果が得られる。強い収束力が必要な場合、１個ではソレノイドコイル２が非常に大きなものになる問題があるが、収束力によっては小型のソレノイドコイル２が使用でき、全体をコンパクト化できる効果がある。
【００１５】
実施の形態４．
実施の形態４を図５に示す。前記実施の形態１では、イオン分離のためのビーム収束手段２０の磁界発生装置として、ソレノイドコイル２を使用したが、四極電磁石１２でも同様の効果が得られる。図５では、３連の四極電磁石１２を使った場合の例を示している。四極電磁石は、水平方向に収束力を与える場合には、垂直方向に発散力が生じ、極性によりその逆が可能である。３連の四極電磁石使用の原理は、収束、発散レンズの組み合わせにより収束力となる原理と同じで、中心の四極電磁石に対して両端の四極電磁石の極性は逆である。この3連方式は、その下流の収束点で比較的軸対称なビームを作りやすい効果があり、ソレノイドコイル２に比べて小型化できる効果がある。
また、２台の極性の異なる四極電磁石を使っても、同様の効果が得られる。
【００１６】
実施の形態５．
実施の形態５を図に基づいて説明する。図６はこの実施の形態５のスリットを示す。イオン源１からのイオンビームのエミッタンスは、設計値と異なることがある。この場合、スリットで必要な種類のイオンビームを全て通過させ、不要な種類のビームはできるだけ除去するスリット径は設計値とは異なってくる。このため、スリット径を容易に変えられる構造が望ましい。
図６に示すスリット３ａは、ビーム遮蔽コーン７ａのイオンビーム出口側にリムーバルスリット１５を取り出し可能に設けたものであり、陽子ビームのビームサイズに合わせた径の開口１５ａを有する。このリムーバルスリット１５は単位面積あたりの発熱が高いため、熱伝導がよくかつ耐熱性の高い、例えばモリブデン等とする。
図７に構造を単純化したリムーバルスリット１５ｂを示し、開口１５ｃはビームサイズに合わせた径である。このような実施の形態５のスリット構造では、リムーバルスリット１５，１５ｂが損傷した場合、容易に取り替え可能である。
【００１７】
実施の形態６．
図８に実施の形態６のスリット３ｃを示す。このスリット３ｃは、例えば実施の形態１で示したスリット３のイオンビーム出口側に、イオンビーム軌道に対して垂直方向に移動可能な可動マルチスリット３ｄを設けたものである。この可動マルチスリット３ｄは支持棒１５ｆを介して真空ダクト６外部に設けられた駆動機構２２によって垂直方向に移動するとともに、想定するイオンビーム径に合わせた複数の口径の開口１５ｅを設けたマルチスリット板１５ｄを有する。このようにこの実施の形態６のスリット３ｃは、可動マルチスリット３ｄを移動させることにより、イオンビームサイズに合わせた開口径を選択することができ、容易にスリット径の最適化が可能となり、イオンビーム調整を迅速に実行できる。なお、可動マルチスリット３ｄの移動方向を上下方向に限定されるものでなく、左右方向、斜め方向いずれであってもよい。
なお、イオンビーム電流値が小さいときは、図９に示すようなスリット３ｅとしてもよい。このスリット３ｅは、図８に示したと同様の複数の口径の開口１５ｅを有する可動マルチスリットであり、駆動機構２２により上下方向に移動可能であり、イオンビーム径に合わせたスリット径の選択が容易に可能である。なお、この図９に示す例では上下方向移動を示すが、これに限定されず、左右、斜め方向であってもよい。
【００１８】
実施の形態７．
前記実施の形態５、６に示したスリットの構造は、必要なイオン種を細く絞ってスリットを通過させ、他のイオン種の多くは、スリットで失う方式のものを示したが、これに代わって、不要なイオン種を絞って必要なイオン種を広げるようイオンビーム収束手段２０を設定し、スリット３の替わりに、例えばブロックを配置すれば、不要なイオン種の多くはブロック上で失われ、前記実施の形態５、６と同様の効果が得られる。この方式は、一箇所に限定する必要なく、イオンビームの軌道に沿って数箇所にブロックを配置しても、より高い効果が得られる。またスリットとブロックを併用する方式であっても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
このイオンビーム分離システムおよびそのイオンビームを使用したイオンビーム加速システムは、癌などの悪性腫瘍の治療、その他の医療的や、殺菌、あるいは、金属材料にイオンビームを注入することによる金属材料の特性向上等、多方面にわたる利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態１のイオンビーム加速システム構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１のイオンビームの広がり、収束を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１のスリット構造図である。
【図４】この発明の実施の形態３のイオンビーム加速システム構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４のイオンビーム加速システム構成図である。
【図６】この発明の実施の形態５のスリット構成図である。
【図７】この発明の実施の形態５のスリット構造図である。
【図８】この発明の実施の形態６のスリット構造図である。
【図９】この発明の実施の形態６の他のスリット構造図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  イオン源、２  ソレノイドコイル、３，３ａ，３ｂ，３ｃ  スリット、
３ｄ，３ｅ  可動マルチスリット、４  四極電磁石、５  加速器、
７  ビーム遮蔽コーン、１５，１５ｂ  リムーバルスリット、
１５ａ，１５ｃ，１５ｅ  開口、１５ｄ  マルチスリット板、
２０  ビーム収束手段、１００  イオンビーム加速システム、
２００  イオンビーム分離システム、２１０  イオンビーム輸送システム。
【図１】
2005265429.tif 000003
【図２】
2005265429.tif 000004
【図３】
2005265429.tif 000005
【図４】
2005265429.tif 000006
【図５】
2005265429.tif 000007
【図６】
2005265429.tif 000008
【図７】
2005265429.tif 000009
【図８】
2005265429.tif 000010
【図９】
2005265429.tif 000011